双极型器件的总剂量辐射效应与损伤机理-医学资料
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双极型器件的总剂量辐射 效应与损伤机理
张婷 华南理工大学 电子与信息学院
赵婷 2019年9月14日
摘要
随着空间技术的发展，双极型器件和线性电路被广泛应用 于辐射环境。 1、从钝化层辐射损伤机理出发，介绍辐射诱生钝化层固定 电荷与界面态的产生机理与计算模型。 2、结合基极电流模型探讨双极型器件与电路的总剂量辐射 效应。 3、针对双极型器件的低剂量率辐射损伤机理与模型展开讨 论。
1.2 辐射诱生钝化层固定电荷的计算模型
考虑辐射诱生电子－空穴对及钝化层内电子、空穴的电流密度，空穴 和电子的连续性方程分别为
式(2) 、(3) 中: n0为单位剂量内氧化层中辐射诱生电子－空穴对的数量; D 为辐射剂量率; φ 为电子 /空穴复合逃逸率，其与氧化层内电场强度有关; jp、 jn为自由空穴、自由电子的电 流密度;
器件静态 电流增益 β下降
基于器件辐射损伤机理，业界对不同结构双极型器件的总剂量辐射效
应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ展大量试验研究。
研究结果
衬底 PNP( SPNP) 、横 向 PNP( LPNP) 和纵向 PNP( VPNP) 器件的归一 化电流增益随总剂量变化
如图 4 所示。 与辐射前相比，3种器件 电流增益均出现不同程度
式(11) 中: vth为热速率; σn和 σp分别为电子与空穴的捕获横截面; Dit为界面态密度。
双极型器件的基极电流IB与表面复合速度Sr有关，如式(12)
式(12) 中: xdB为耗尽区宽度; Veff 为基－射结有效电压。
界面态 密度Dit
表面复合 速度Sr增 加
器件复合基 极电流IB增 加
当双极型器件与线性电路应用于空间辐射环境时,
面临的问题？
器件将面临长时间、高能量、大剂量的粒子辐射，器件和电路性能将 会退化，系统寿命显著减少。
本文的工作
从器件钝化层的辐射损伤机理出发，基于辐射诱生钝化层固定电荷与 界面态，结合双极型器件的基极电流模型，探讨双极型器件的总剂量 电离辐射效应， 并针对双极型器件的低剂量率辐射损伤效应与机理展 开讨论。
式( 7) 中，等式右边三项分别为自由空穴被陷阱捕获后释放的氢离子数目、 氢离子流密 度及氢离子与硅氢悬挂键反应的数目。NsiH 与Nit分别为硅氢悬挂键及界面态密度， jH 为 氢离子流密度; σit为氢离子与硅氢悬挂键反应的概率( 横截面) 。
辐射诱生界面态的连续性方程为:
式( 8) 中，等式右边两项分别为界面态的生成数量及界面态随时间的退火数量。τit为界面 态的寿命。
联解方程( 2) ～ ( 8) ，即可得到辐射诱生钝化层－Si界面处界面态密度 随总剂量的变化关系。
2 器件辐射损伤机理与模型
辐射诱生氧化层固定电荷与界面态都将对双极型器件的电学参数
产生影响。
氧化层固定电荷将改变Si－SiO2界面处的电势，使P型掺杂区域表面 耗尽乃至反型，而N型掺杂区域表面积累。P型表面反型将导致器件 漏电电流增加，击穿电压下降; 而 N 型区域( NPN 晶体管的基极和 PNP 晶体管的发射极)耗尽将使得器件表面复合电流增加，基极电流 上升，导致器件静态电流增益 β 随之下降。氧化层固定电荷与基极电 流变化 ΔIB关系为：
四
辐射诱生空穴的漂移过程中将 产生部分氢离子; 氢离子亦向 SiO2 /Si 界面处跃迁。当H离 子到达SiO2/Si界面时，其将使 部分SiH键断裂，形成H2分子 和三价硅陷阱，反应式： SiH + H+→ Si + H2。 (1) 辐射诱生界面态将影响器件的 表面复合速率，并导致器件直 流增益减小 。
与式(2) 、(3) 相似，
钝化层内被中立陷阱捕获空穴的一维连续性方程:
联解式( 2) ～ ( 6) ，即可得到钝化层内中立陷阱捕获空穴的数量。
1.3 辐射诱生界面态的计算模型
基于钝化层内空穴、电子、H离子的一维连续性方程，可推导出辐射 诱生界面态密度随总剂量的变化关系。空穴被陷阱捕获后释放出的 氢离子 ( 质子) 的连续性方程为:
Ｒp、Ｒn为电子－空穴复合速率，分别为:
式( 4) 、( 5) 中: σp 为中立陷阱捕获空穴的捕获横截面; σn为电子与被捕获空穴的复合横 截面; NT为中立陷阱数量; PT 为被陷阱捕获空穴数量。若需考虑双极型器件的剂量率效应， 则需对式( 4) 与式( 5) 进行修正，以考虑各种电子－空穴的复合过程。
Sr 为表面复合速度， KT 为热电势，VBE为基－射极电压，Nox为氧化层净电荷 密度，α = 0.5 qniPE，γ 为
式( 10) 中: φs 为表面势，取决于氧化层固定电荷密度; ni为本征载流 子密度; PE为发射极周长; y 为横向位置变量; rB = 1.44 yB。
辐射诱生界面态将影响器件基极－发射极耗尽区的表面复合速度，如 式(11)
二
辐射诱生空穴受外部电场和 内建电场影响将逐渐向 Si/SiO2界面输运，空穴在外 加电场作用下通常为跃迁输 运。空穴在钝化层内浅陷阱 能级间的跃迁为一个随机空 间分布过程，与外加电场、 温度、氧化层厚度等有关， 室温下将在1s内完成整个跃 迁输运过程。
三
在空穴向 Si/SiO2界面输运 过程中，部分空穴可能被 深能态中立陷阱(包括 E， 中心、间隙氧施主中心Oi 和三价硅施主中心) 捕获形 成氧化层固定电荷，氧化 层固定电荷将造成器件表 面反型、增益减少和漏电 流增加。
1 钝化层的辐射损伤机理与模型
双极型器件结构如图 1 所示
研究结果表明: 双极型器件电离辐射敏感区域为SiO2钝化层，辐
射诱生氧化层陷阱电荷与界面态将影响器件的电学参数，如基极电 流、 直流增益等。
1.1 钝化层的辐射效应
钝化层的总剂量辐射效应可 分为4个过程
一 当器件受到总剂量电离辐射
时，钝化层将吸收能量并产 生电子-空穴对，每对辐射诱 生电子-空穴对所需能量为 17±1eV。整个辐射过程中， 部分电子-空穴对在短时间内 复合; 电子在钝化层中迁移率 较高(室温下约为20 cm2 v-1s1 ) ，未复合电子将在ps或更 短时间内漂移出钝化层。空 穴迁移率极低(室温下约为105cm2v-1s-1)，相对电子较稳定。
张婷 华南理工大学 电子与信息学院
赵婷 2019年9月14日
摘要
随着空间技术的发展，双极型器件和线性电路被广泛应用 于辐射环境。 1、从钝化层辐射损伤机理出发，介绍辐射诱生钝化层固定 电荷与界面态的产生机理与计算模型。 2、结合基极电流模型探讨双极型器件与电路的总剂量辐射 效应。 3、针对双极型器件的低剂量率辐射损伤机理与模型展开讨 论。
1.2 辐射诱生钝化层固定电荷的计算模型
考虑辐射诱生电子－空穴对及钝化层内电子、空穴的电流密度，空穴 和电子的连续性方程分别为
式(2) 、(3) 中: n0为单位剂量内氧化层中辐射诱生电子－空穴对的数量; D 为辐射剂量率; φ 为电子 /空穴复合逃逸率，其与氧化层内电场强度有关; jp、 jn为自由空穴、自由电子的电 流密度;
器件静态 电流增益 β下降
基于器件辐射损伤机理，业界对不同结构双极型器件的总剂量辐射效
应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ展大量试验研究。
研究结果
衬底 PNP( SPNP) 、横 向 PNP( LPNP) 和纵向 PNP( VPNP) 器件的归一 化电流增益随总剂量变化
如图 4 所示。 与辐射前相比，3种器件 电流增益均出现不同程度
式(11) 中: vth为热速率; σn和 σp分别为电子与空穴的捕获横截面; Dit为界面态密度。
双极型器件的基极电流IB与表面复合速度Sr有关，如式(12)
式(12) 中: xdB为耗尽区宽度; Veff 为基－射结有效电压。
界面态 密度Dit
表面复合 速度Sr增 加
器件复合基 极电流IB增 加
当双极型器件与线性电路应用于空间辐射环境时,
面临的问题？
器件将面临长时间、高能量、大剂量的粒子辐射，器件和电路性能将 会退化，系统寿命显著减少。
本文的工作
从器件钝化层的辐射损伤机理出发，基于辐射诱生钝化层固定电荷与 界面态，结合双极型器件的基极电流模型，探讨双极型器件的总剂量 电离辐射效应， 并针对双极型器件的低剂量率辐射损伤效应与机理展 开讨论。
式( 7) 中，等式右边三项分别为自由空穴被陷阱捕获后释放的氢离子数目、 氢离子流密 度及氢离子与硅氢悬挂键反应的数目。NsiH 与Nit分别为硅氢悬挂键及界面态密度， jH 为 氢离子流密度; σit为氢离子与硅氢悬挂键反应的概率( 横截面) 。
辐射诱生界面态的连续性方程为:
式( 8) 中，等式右边两项分别为界面态的生成数量及界面态随时间的退火数量。τit为界面 态的寿命。
联解方程( 2) ～ ( 8) ，即可得到辐射诱生钝化层－Si界面处界面态密度 随总剂量的变化关系。
2 器件辐射损伤机理与模型
辐射诱生氧化层固定电荷与界面态都将对双极型器件的电学参数
产生影响。
氧化层固定电荷将改变Si－SiO2界面处的电势，使P型掺杂区域表面 耗尽乃至反型，而N型掺杂区域表面积累。P型表面反型将导致器件 漏电电流增加，击穿电压下降; 而 N 型区域( NPN 晶体管的基极和 PNP 晶体管的发射极)耗尽将使得器件表面复合电流增加，基极电流 上升，导致器件静态电流增益 β 随之下降。氧化层固定电荷与基极电 流变化 ΔIB关系为：
四
辐射诱生空穴的漂移过程中将 产生部分氢离子; 氢离子亦向 SiO2 /Si 界面处跃迁。当H离 子到达SiO2/Si界面时，其将使 部分SiH键断裂，形成H2分子 和三价硅陷阱，反应式： SiH + H+→ Si + H2。 (1) 辐射诱生界面态将影响器件的 表面复合速率，并导致器件直 流增益减小 。
与式(2) 、(3) 相似，
钝化层内被中立陷阱捕获空穴的一维连续性方程:
联解式( 2) ～ ( 6) ，即可得到钝化层内中立陷阱捕获空穴的数量。
1.3 辐射诱生界面态的计算模型
基于钝化层内空穴、电子、H离子的一维连续性方程，可推导出辐射 诱生界面态密度随总剂量的变化关系。空穴被陷阱捕获后释放出的 氢离子 ( 质子) 的连续性方程为:
Ｒp、Ｒn为电子－空穴复合速率，分别为:
式( 4) 、( 5) 中: σp 为中立陷阱捕获空穴的捕获横截面; σn为电子与被捕获空穴的复合横 截面; NT为中立陷阱数量; PT 为被陷阱捕获空穴数量。若需考虑双极型器件的剂量率效应， 则需对式( 4) 与式( 5) 进行修正，以考虑各种电子－空穴的复合过程。
Sr 为表面复合速度， KT 为热电势，VBE为基－射极电压，Nox为氧化层净电荷 密度，α = 0.5 qniPE，γ 为
式( 10) 中: φs 为表面势，取决于氧化层固定电荷密度; ni为本征载流 子密度; PE为发射极周长; y 为横向位置变量; rB = 1.44 yB。
辐射诱生界面态将影响器件基极－发射极耗尽区的表面复合速度，如 式(11)
二
辐射诱生空穴受外部电场和 内建电场影响将逐渐向 Si/SiO2界面输运，空穴在外 加电场作用下通常为跃迁输 运。空穴在钝化层内浅陷阱 能级间的跃迁为一个随机空 间分布过程，与外加电场、 温度、氧化层厚度等有关， 室温下将在1s内完成整个跃 迁输运过程。
三
在空穴向 Si/SiO2界面输运 过程中，部分空穴可能被 深能态中立陷阱(包括 E， 中心、间隙氧施主中心Oi 和三价硅施主中心) 捕获形 成氧化层固定电荷，氧化 层固定电荷将造成器件表 面反型、增益减少和漏电 流增加。
1 钝化层的辐射损伤机理与模型
双极型器件结构如图 1 所示
研究结果表明: 双极型器件电离辐射敏感区域为SiO2钝化层，辐
射诱生氧化层陷阱电荷与界面态将影响器件的电学参数，如基极电 流、 直流增益等。
1.1 钝化层的辐射效应
钝化层的总剂量辐射效应可 分为4个过程
一 当器件受到总剂量电离辐射
时，钝化层将吸收能量并产 生电子-空穴对，每对辐射诱 生电子-空穴对所需能量为 17±1eV。整个辐射过程中， 部分电子-空穴对在短时间内 复合; 电子在钝化层中迁移率 较高(室温下约为20 cm2 v-1s1 ) ，未复合电子将在ps或更 短时间内漂移出钝化层。空 穴迁移率极低(室温下约为105cm2v-1s-1)，相对电子较稳定。